自然界中广泛存在超疏水现象，超疏水材料的应用也已经十分广泛，其应用领域与场景得到逐步拓展[1-2]，如金属基体表面存在大量的水，常会因水滴的渗透而产生腐蚀现象，最终导致管道的使用寿命极大缩减[3-4]。有科学家提出在管道表面引入超疏水涂层可实现水滴在管道表面存留时间较短，从而降低腐蚀现象发生的概率[5]。聚四氟乙烯(PTFE)材料因其内部含有大量氟元素而具有良好的疏水效果，对水滴的接触角可保持在110°左右，是优选的超疏水材料[6]。Pachchigar等[7]以PTFE作为疏水成分得到的涂层，展现优异的防水性能。聚苯硫醚(PPS)因其具有优异的力学性能，成为工程领域常见的塑料[8-9]。金属表面喷涂中静电作用可使粉末涂料均匀的黏附在金属表面，有利于喷涂不规则表面，常用于管道表面处理[10-11]。Wang等[12]在铝板表面制备一种PPS/PTFE/SiO2复合涂层。结果表明：添加PTFE后，受PTFE的自润滑作用影响，复合涂层展现优异的耐摩擦性能。本实验通过静电粉末喷涂技术，将PPS粉末涂料与PTFE按照不同的比例混合后进行喷涂，对PTFE/PPS复合涂层进行耐腐蚀、耐老化以及耐摩擦性能探究。1实验部分1.1主要原料聚苯硫醚粉末喷涂涂料(PPS)，Fortron0205CFA(15 μm)，美国Ticona公司；聚四氟乙烯颗粒(PTFE)，free-flowing powder，300 nm，美国sigma-aldrich公司；环氧树脂(EP)，E51，南通星辰合成材料有限公司；环氧树脂固化剂戊二酸酐，试剂级，国药集团化学试剂有限公司；丙酮，试剂级，国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备电热鼓风烘箱，DHG-9023AS，中新医疗仪器有限公司；涡旋振荡器，TS100，杭州瑞诚仪器有限公司；静电粉末喷涂仪，H8412，邢台钜都科技有限公司；Taber摩擦测试仪，ZT-5612，广州中天仪器股份有限公司；接触角测量仪，BDL-SDJY，东莞博莱德仪器设备有限公司；盐雾腐蚀测试设备，FT-YW160A，山东风途物联网科技有限公司；氙灯老化试验箱，XL-1000，广东艾思荔检测仪器有限公司；单通道电化学工作站，RST5200F，郑州世瑞斯仪器科技有限公司；扫描电镜(SEM)，S-4800，日本日立公司；表面粗糙度仪器，VR-5000，日本基恩士公司；热重分析仪(TG)，TG7300，日本日立公司。1.3样品制备1.3.1超疏水PTFE/PPS复合涂层的制备将E51树脂与固化剂按照2∶1的质量比配置，在100 ℃下搅拌预聚0.5 h后，按照1∶50的质量比加入丙酮溶剂中，将制备的EP涂料预先喷涂至钢管表面得到预处理钢管材料。将PTFE粉末和PPS粉末按照质量比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1以及5∶1进行称量，分别命名为PTFE/PPS-1、PTFE/PPS-2、PTFE/PPS-3、PTFE/PPS-4以及PTFE/PPS-5。将称量的混合粉末在涡旋振荡器中振荡10 min后，装入经典粉末喷涂设备的粉末漏斗，开启设备电压设置为80 kV，气压设置为4 m3/h，喷枪与样品管间的距离为10 cm，反复喷涂3次后进行流平固化，控制流平温度为260 ℃，保持20 min后得到PTFE/PPS复合涂层。1.4性能测试与表征SEM分析：对样品表面喷金处理，观察样品表面形貌。表面粗糙度测试：按GB/T 13288.4—2013进行测试。表面接触角测试：按GB/T 24368—2009进行测试，测试过程中水滴容量保持在4 μL。耐摩擦测试：按ASTM D3884进行测试，砝码配重为500 g，砂纸目数为500目，对100 mm×100 mm样品进行磨损测试。耐腐蚀性能测试：按GB/T 39482.3—2020进行测试，借助电化学工作站，测试样品的EIS阻抗、极化曲线以及循环伏安曲线。耐老化测试：按GB/T 1865—2009进行测试，样品尺寸150 mm×70 mm×2 mm。2结果与讨论2.1PTFE/PPS复合涂层配比选择以及性能分析表1为不同体系涂层的表面接触角、滚动角以及表面粗糙度Ra数值。从表1可以看出，随着PTFE含量的提升，涂层接触角先增加后逐渐趋于稳定，且PTFE/PPS-4具有最高的接触角，为(159.5±0.5)°；涂层滚动角先降低后逐渐趋于稳定，PTFE/PPS-4具有最低的滚动角，为(1.2±0.3)°；涂层表面的Ra数值逐渐增加后趋于稳定，且PTFE/PPS-4涂层表面的Ra值最大，为1.355。根据CB理论可知[13]，涂层必须具有丰富的微纳米结构以及低的表面能，才能获得具有良好超疏水性能的表面，其中涂层的低表面能可通过增加体系中低表面能材料实现。PTFE中含有大量的—CF2—结构，F原子可以为树脂体系提供更低的表面能，随着PTFE含量的增加，体系中的F原子增多，使体系中的表面能进一步降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1不同体系涂层的表面接触角、滚动角及表面粗糙度Ra数值Tab.1Surface contact angle, sliding angle and surface roughness Ra value of different coating systems体系名称接触角(CA)/(°)滚动角(SA)/(°)表面粗糙度(Ra)/μmPTFE/PPS-1109.6±1.620.8±1.00.628PTFE/PPS-2123.7±1.312.5±0.60.889PTFE/PPS-3147.4±0.96.1±0.51.043PTFE/PPS-4159.5±0.51.2±0.31.355PTFE/PPS-5158.3±0.61.3±0.31.342图1为不同体系涂层的表面形貌SEM照片。图1不同体系涂层的表面形貌SEM照片Fig.1SEM images of surface morphology of different coating systems10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F1a1（a）PTFE/PPS-110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F1a2（b）PTFE/PPS-210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F1a3（c）PTFE/PPS-310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F1a4（d）PTFE/PPS-410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F1a5（e）PTFE/PPS-5从图1可以看出，随着PTFE含量的升高，涂层表面的粗糙度逐渐提升，涂层表面出现明显的凹凸结构，PTFE/PPS-4体系和PTFE/PPS-5体系中的粗糙度最明显。同时整个体系具有更低的表面能，展示优异的超疏水性能。2.2PTFE/PPS复合涂层的耐摩擦性能由于PTFE/PPS-4以及PTFE/PPS-5体系均表现优异的超疏水性能，因此，选用这两个体系作为研究对象并进行Taber耐磨测试。图2为PTFE/PPS-4和PTFE/PPS-5随磨损周期增加接触角以及滚动角的变化曲线。从图2可以看出，随着磨损周期的不断增大，涂层表面的接触角均逐渐降低，滚动角逐渐增加，但是相比于PTFE/PPS-5体系，PTFE/PPS-4体系的耐摩擦性能更优异，经过磨损500个周期后仍能保持(152.2±0.7)°的接触角以及(3.9±0.3)°的滚动角，质量损失为30.8 mg。而PTFE/PPS-5体系在磨损300个周期后接触角降低至(150.2±0.8)°，滚动角升高至(6.7±0.8)°。一般常定义表面接触角大于150°，滚动角低于5°的材料为超疏水材料[14-15]，显然PTFE/PPS-5体系在磨损300个周期后开始丧失超疏水性能，而PTFE/PPS-5体系在磨损500个周期后，接触角降低至(138.1±1)°，滚动角也升高至(10.3±1.6)°，质量损失为63.7 mg，展现出较差的耐摩擦性能，其原因在于，PTFE材料本身具有较差的界面作用力，当体系中的PTFE含量过高，负责黏接PTFE颗粒的PPS树脂含量过低，无法将所有PTFE颗粒稳定黏附在材料表面。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2不同磨损周期下PTFE/PPS-4体系以及PTFE/PPS-5体系接触角以及滚动角Fig.2The contact angle and sliding angle of PTFE/PS-4 system and PTFE/PS-5 system under different wear cycles图3为将涂层进行2 000次磨损后的SEM照片。从图3可以看出，PTFE/PPS-4体系经历磨损后其表面仍保持致密的形态，而PTFE/PPS-5体系中出现明显的磨损颗粒以及涂层颗粒剥落。由于PTFE/PPS-5体系具有较差的黏接能力，导致整个体系具有较差的力学性能和耐摩擦性能。结合测试结果，选用PTFE/PPS-4体系作为后续研究体系。图32000次磨损周期后PTFE/PPS-4体系与PTFE/PPS-5体系的SEM照片Fig.3SEM images of PTFE/PPS-4 system and PTFE/PPS-5 system after 2000 wear cycles10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F3a1（a）PTFE/PPS-410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F3a2（b）PTFE/PPS-52.3PTFE/PPS复合涂层的耐腐蚀性能为了更好地研究PTFE/PPS复合涂层的耐腐蚀性能，选用纯钢材、PTFE涂层、PPS涂层以及PTFE/PPS-4复合涂层作为研究对象，图4为四种材料的极化曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4纯钢材、PTFE涂层、PPS涂层以及PTFE/PPS复合涂层的极化曲线Fig.4Polarization curves of pure steel, PTFE coating, PPS coating and PTFE/PPS composite coating从图4可以看出，经过PTFE/PPS-4复合涂层处理的表面呈现更高水平的腐蚀电位以及更低水平的腐蚀电流，将钢材表面-962 mV的腐蚀电位增长至-353 mV，同时钢材表面的腐蚀电流从10-3 mA/cm2降低至10-6 mA/cm2水平。由于腐蚀电位较高的材料具有更缓慢的热力学腐蚀速率，腐蚀电流较低的材料具有更缓慢的动力学腐蚀速率[16]，因此,具备低腐蚀电流和高腐蚀电位的材料，可极大地延缓金属材料在水中的腐蚀程度。图5为四种材料的EIS阻抗结果。从图5可以看出，PTFE/PPS-4复合涂层在高频区的容抗弧面积更大，反映出涂有此涂层的金属材料具有更强的阻止电荷传递的能力，从而有效减缓腐蚀现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5纯钢材、PTFE涂层、PPS涂层以及PTFE/PPS复合涂层的EIS阻抗Fig.5EIS impedance of pure steel, PTFE coating, PPS coating and PTFE/PPS composite coating图6为四种材料的循环伏安曲线，通过曲线的氧化峰、还原峰以及闭合面积可判断材料的耐腐蚀性能。一般氧化峰与还原峰不明显，曲线闭合面积越小的材料具有更好的耐腐蚀性能，因为峰值越低代表材料的钝化作用越明显，面积越小代表材料表面电流的数值也越低。从图6可以看出，PTFE/PPS-4复合涂层相比于纯钢材具有最低的峰值与曲线面积，所以表现最优的耐腐蚀性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6纯钢材、PTFE涂层、PPS涂层以及PTFE/PPS复合涂层的循环伏安曲线Fig.6Cyclic voltammetry curves of pure steel, PTFE coating, PPS coating and PTFE/PPS composite coating为进一步评定涂层的耐腐蚀性能，将涂有PTFE/PPS涂层的材料分别浸入由盐酸与氢氧化钠配制的标准溶液中，pH值在1~13之间进行变化，图7为将样品放置30 d后测定材料的接触角与滚动角数据。从图7可以看出，不论将材料浸入何种液体内，材料仍保持150°以上的接触角以及4.5°以下的滚动角，说明材料依然具备超疏水性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F007图7不同pH值的PTFE/PPS复合涂层的接触角与滚动角Fig.7Contact angle and sliding angle of PTFE/PPS composite coating in different pH values为模仿日常生活中的酸雨场景，将涂有PTFE/PPS复合涂层的材料浸入pH=4的盐酸溶液，图8为浸泡100 d以内的接触角与滚动角变化。从图8可以看出，浸泡100 d，复合涂层仍能保持150°以上的接触角与4.5以下的滚动角，说明涂层具有优异的耐酸性能。分析上述原因，发现复合涂层具有超疏水性能，使溶液与涂层表面形成一道“气穴”层，有效减少腐蚀性溶液同金属材料接触；即使少量腐蚀性溶液透过“气穴”层，PTFE/PPS树脂层也具有物理防护作用，这种稳定的“气穴”结构可最大限度地提升金属管材的使用寿命，节约维护成本。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F008图8PTFE/PPS复合涂层的接触角与滚动角Fig.8Contact angle and sliding angle of PTFE/PPS composite coating2.4PTFE/PPS复合涂层的耐老化性能日常使用的管材非常容易在强光中暴露，因此涂层的耐老化性能至关重要，本实验将涂有PTFE/PPS复合涂层的管材暴露于老化试验箱，最大限度地模拟日常生活中的极端环境，图9为PTFE/PPS涂层老化150 d的SEM照片、接触角以及滚动角。从图9可以看出，涂层表面仍能维持原先的粗糙结构，并且没有出现开裂现象，这与PPS与PTFE二者优异的耐老化性能有关。对老化试验后的涂层进行接触角与滚动角测量，发现仍能维持(154.5±0.4)°的接触角以及(2.1±0.4)°的滚动角，表现优异的耐老化性能。图9PTFE/PPS涂层老化后的表面形貌SEM照片、接触角以及滚动角Fig.9Surface morphology SEM images, contact angle and sliding angle of PTFE/PPS coating after aging test10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a1（a）老化试验表面形貌10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a2（b）接触角10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a3（c）滚动角3结论通过聚四氟乙烯(PTFE)与聚苯硫醚(PPS)得到一种具有优异疏水性能与耐久性能的PTFE/PPS复合涂层，在静电粉末喷涂技术作为一种粉末涂料，并利用磨损测试、耐腐蚀测试以及耐老化试验验证涂层的耐久性。（1）PTFE颗粒与PPS颗粒质量比在4∶1时展现最佳的超疏水性能，接触角为(159.5±0.5)°，滚动角为(1.2±0.3)°；500次摩擦循环后仍能维持(152.2±0.7)°的接触角以及(3.9±0.3)°的滚动角，具有优异的耐摩擦性能。（2）PTFE/PPS复合涂层处理后的金属材料具有更加优异的极化曲线，腐蚀电位从-962 mV升高至-353 mV；腐蚀电流从10-3 mA/cm2降低至10-6 mA/cm2；同时具有范围更宽的EIS阻抗曲线以及更小面积的伏安循环曲线，表明PTFE/PPS复合涂层具有优异的耐腐蚀性能。（3）PTFE/PPS复合涂层经历150 d老化试验后仍能维持良好的表面形貌，且维持(154.5±0.4)°的接触角以及(2.1±0.4)°的滚动角，表现优异的耐老化性能。